摘要：本文針對聚丙烯酰胺在我國選煤廠尾煤水處理中存在的問題，通過實驗室試驗，結(jié)合聚丙烯酰胺的性質(zhì)，對配制方法及其加藥制度等進行了探討。
1、聚丙烯酰胺的性質(zhì)
聚丙烯酰胺是人工合成的有機高分子聚合物。它是有許多結(jié)構(gòu)相同的單元聯(lián)接在一起的，其分子式如下圖1，式中“n”稱為聚合度。它的每個分子的大小是不盡相同的，即“n”的數(shù)值不同。有的“n”值大，有的“n”值小，所以聚丙烯酰胺是一個聚合度不同的同系物的混合物。因而分子量的大小也不同，有的分子量幾千，有的分子量幾萬，幾十萬，幾百萬乃至幾千萬。
由于分子量的不同，表現(xiàn)在絮凝效果上也不相同，分子量較低的聚丙烯酰胺，使用在煤泥的絮凝沉淀過程中，被吸附在懸浮顆粒表面上的多，而“橋連”作用小，因而形成的絮凝體較小，不利于大絮團的形成，絮凝效果差。分子量較高的聚丙烯酰胺在絮凝過程中，不但被吸附在懸浮物顆粒表面上，同時由于分子量較大，而“橋連"作用也很大，所以形成的絮凝體較大，絮凝效果好。在處理選煤廠的尾煤水時應(yīng)選擇較大分子量的聚丙烯酰胺。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的聚丙烯酰胺產(chǎn)品有膠凍狀和粉末狀兩種。膠凍狀含量較低，且運輸、貯存均不方便。粉末狀聚丙烯酰胺含量較高，運輸貯存都較方便。因此對于選煤廠來說，由于用量大，選用粉末狀產(chǎn)品為宜。
由于聚丙烯酰胺是大分子的有機聚合物，因而具有下列特殊性質(zhì)：
（1）溶解性：能以較大的比例溶解于水中，但溶解速度較慢，需要一定的時間才能溶解。
（2）粒度：隨分子量、濃度、水解度增加而提高，隨溫度增加而降低。
（3）陳化性能（高聚物的水溶液在長期放置時，粘度降低稱陳化）：高分子量、低濃度、高溫度、長時間存放，其陳化性能越高，粘度降低越快，絮凝效能也就越差。
（4）在強酸強堿等化學物質(zhì)和光輻射，強機械引力作用下，高聚物會降解，分子量降低，使用效果下降。
（5）和鹽類物質(zhì)可發(fā)生共聚作用，生成沉淀物，而降低使用效果。
（6）水解作用：聚丙烯酰胺水溶液與堿性物質(zhì)共存即能發(fā)生水解反應(yīng)，水解后生成的羧酸鹽基團的親水性比酰胺基強，從而使長分子鏈在溶液中更易伸展，而加大了與懸浮顆粒的接觸面積，使吸附更容易。
由于聚丙烯酰胺的如上性質(zhì)，因此決定了聚丙烯酰胺在配制及使用過程中的特殊性。
2、聚丙烯酰胺的配制
2.1 使用濃度
實踐證明，在多數(shù)情況下，處理尾煤水時聚丙烯酰胺的使用濃度為0.1%-0.15%時，其絮凝效果較佳，過稀的溶液會降低絮凝效果，此時卻達到同樣的煤泥沉淀速度，聚丙烯酰胺的用量反而增加。在同樣用量下，使用過濃的溶液因為溶液的粘度大，溶解不完全和具有活性不夠大的長鏈分子，而使絮凝效果下降。
2.2 配制要求
前已述及，聚丙烯酰胺可和鹽類物質(zhì)發(fā)生共聚作用，聚丙烯酰胺分子被高度緊縮，生成沉淀物而降低使用效果，使耗藥量增加，因此，配制聚丙烯酰胺溶液時，應(yīng)使用含陽離子數(shù)量較少的水來配制。水中的固體含量應(yīng)盡可能降低，以免在配制中生成沉淀物而消耗聚丙烯酰胺。
2.3 攪拌作用
由于聚丙烯酰胺是高分子聚合物，溶解過程緩慢，為了加速它的溶解，在現(xiàn)場配制水溶液時，一般均采用攪拌的方法，以加快聚丙烯酰胺的溶解。但攪拌速度要適當，攪拌時間盡可能短。因為在固體顆粒分散于水中后，只需稍加攪拌，以保證均勻的溶解濃度即可。
聚丙烯酰胺在溶解時，首先是溶劑分子（如水分子）向聚丙烯酰胺內(nèi)部擴散，先使其膨脹，膨脹過程使大分子間的排列疏松起來，到一定程度，可溶性的大分子才從邊緣脫落，并緩慢地向溶劑深處擴散。由于分子體積大，擴散速度要比小分子慢得多。有時一團干粉團粒，由于邊緣首先膨脹，而延緩了水分子的進一步滲透而“固化”，一旦“固化”就難于溶解。同時由于“固化”現(xiàn)象而形成較大的“膠團”而浮在表面，這些不溶性膠團的存在，容易堵塞輸送管道。因此在加入聚丙烯酰胺時，需要將絮凝劑的干粉顆粒均勻分布在已經(jīng)攪拌起的旋流中。
2.4 水解作用
事實證明，聚丙烯酰胺在水中溶解時，由于水溶液中有OH-的存在，使聚丙烯酰胺發(fā)生水解作用。水解作用能加速聚丙烯酰胺的溶解。例如：水中有堿存在（較好有NaOH存在，Na-可同時參加反應(yīng)）時，發(fā)生如下反應(yīng)：
這個反應(yīng)的生成物實際上是丙烯酰胺和丙烯酸鹽的共聚物。由于羧酸鹽這個基團的親水性比酰胺基強，而且是個陰離子基團，因此分子鏈的親水性增強，同時由于水分子的拉扯和本身陰離子基團的相互排斥作用，使長分子鏈在水溶液中更加容易伸展，從而增加了溶解速度。在絮凝過程中，由于長分子鏈在溶液中的較易伸展，加大了與煤泥顆粒的接觸面積，使吸附更容易。例如水溶液中的堿性太強，水解度太大，由于酰胺基的比例減少，分子柔性減弱，羧酸基這個負電基團又會與煤泥顆粒上的負電荷相斥，阻礙它們互相靠近，反而減弱了對煤泥顆粒的吸附。
因而在聚丙烯酰胺溶解過程中加入少量的堿，能夠加快聚丙烯酰胺的溶解速度，充分發(fā)揮聚丙烯酰胺的絮凝能力。
2.5 溶解時間
前已述及，聚丙烯酰胺是高分子聚合物，其溶解過程中擴散速度緩慢，同時在加藥過程中，由于人為因素的影響，不可能將固體顆粒完全均勻地分布于溶液之中，這樣就很難避免有“固化”現(xiàn)象產(chǎn)生。同時為了使水溶液中的OH-逐步地參加反應(yīng)，以進一步發(fā)生水解作用，適當?shù)匮娱L溶解時間，可使聚丙烯酰胺進一步溶解、擴散，而得到非常均勻的聚丙烯酰胺水溶液的混合體系。同時因“固化”現(xiàn)象而產(chǎn)生的小的“膠團”隨著溶解時間的延長而得到進一步的溶解，小的“固化”“膠團”可發(fā)生“溶固"現(xiàn)象。因此適當?shù)匮娱L溶解時間有助于聚丙烯酰胺的溶解，降低藥劑耗量，充分發(fā)揮藥劑效能，增強了絮凝效果。
但由于聚丙烯酰胺的陳化性能，配制好的聚丙烯酰胺溶液經(jīng)過長期放置后，粘度大幅度下降，絮凝性能大幅度降低。
有資料表明，聚丙烯酰胺靠自身溶解時，其延長的溶解時間以16-24小時為較佳，此時的絮凝效果較好。
下面是一組自身溶解時間不同，而對于相同煤泥水絮凝作用的試驗結(jié)果比較（表1），本試驗在煤泥水中加入某種陽離子凝聚劑，因不屬于本文的探討范圍，在此便不涉及了。
表1 不同溶解時間絮凝效果比較
| 溶解時間（h） | 不同時間（s）的澄清層高度（mm） | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 0.5 | 24 | 48 | 58 | 67 | 74 | 79 |
| 4 | 26 | 50 | 62 | 74 | 81 | 90 |
| 23 | 33 | 60 | 79 | 93 | 103 | 110 |
注：絮凝劑濃度為0.1%，加藥量為6mg/m3，煤泥水為某選煤廠尾煤濃縮機溢液，濃度為38g/L，實驗容器為500ml量筒，水量500ml。
以上試驗結(jié)果也證明了適當延長溶解時間，使聚丙烯酰胺自身逐步水解，絮凝效能有所提高。但在現(xiàn)場實際使用中，由于所需要的藥劑量很大，使配制好了藥劑溶液自身溶解近20小時左右也是不現(xiàn)實的。因此通常采用加堿強化水解和自身延時溶解相結(jié)合的方法。
2.6 溫度的影響
水溫對聚丙烯酰胺的溶解過程有一定的影響。增高水溫能加快聚丙烯酰胺的溶解，同時由于溫度增高，使分子間間距增加，使其粘度降低，絮凝效果下降。由于選煤廠使用的聚丙烯酰胺量較大，因此原則上來講，增高水溫配制聚丙烯酰胺溶液是不適宜的。
3、加藥制度
使用聚丙烯酰胺溶液作為絮凝劑來絮凝煤泥水中的煤泥顆粒時，由于絮凝過程所需要的時間很短，因此問題的關(guān)鍵在于如何保證聚丙烯酰胺水溶液迅速地擴散到煤泥水中去，使較小體積的絮凝劑溶液與大體積的煤泥水充分混合，以保證與煤泥水中的懸浮煤泥顆粒充分接觸，提高絮凝效果。因此在實際生產(chǎn)中，由于加藥制度的不同，而產(chǎn)生的絮凝效果是不相同的。
3.1 一次加藥
大多數(shù)選煤廠在使用絮凝劑時均采用管路輸送，一次注入的加藥方法。此方法的優(yōu)點在于加藥系統(tǒng)比較簡單，易于管理操作。其缺點是由于一次加藥，使藥劑加入時比較集中，因為聚丙烯酰胺水溶液的粘度較大，擴散速度慢，在短時間內(nèi)和煤泥水混合不充分，因而必然會造成局部濃度過低的現(xiàn)象，使絮凝劑效能不能充分發(fā)揮。
為了保證藥劑與煤泥水的充分混合，較大限度地發(fā)揮藥劑效能。在采用一次加藥的方法時，可用如下方法改善煤泥水與藥劑的混合效果。
（1）用噴射器將絮凝劑水溶液噴入煤泥水的管路或溜槽中。由于噴射器的噴射作用，使加入的藥劑由一點加入變成幾十點（乃至幾百點）加入，分散了絮凝劑水溶液，提高了混合效果。
（2）在管路或溜槽中增設(shè)檔板。在加藥點以后的一定間隔，在輸送管路或溜槽中增設(shè)檔板的方法，使被輸送的煤泥水與藥劑在紊流作用下充分混合，可提高混合效果。
（3）利用管路或溜槽人為制造落差。在加藥點以后利用管路或溜槽的落差而產(chǎn)生紊流作用，使被輸送的煤泥水與藥劑充分混合。
3.2“分步“加藥
所謂“分步“加藥，就是多點加藥。即在輸送煤泥水的管路或溜槽中，選擇兩個以上的間隔位置。將應(yīng)加入的藥量分成兩部分以上加入到管路或溜槽中。先加入的藥劑與水迅速混合、擴散，而后加入的藥劑較一次加入的量小，局部濃度不致過高，因此也能與煤泥水盡快的充分混合，提高了混合效果。在達到同樣絮凝效果的條件下，較一次性注入節(jié)約了藥劑。實驗室試驗也證明了分步加藥比一次性加藥的絮凝效果要好，結(jié)果見表2。
表2 分步加藥與一次加藥絮凝效果比較
| 煤泥水量（mL） | 不同時間（s）的澄清層高度（mm） | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 一次 | 20 | 42 | 54 | 65 | 74 | 80 |
| 二次 | 36 | 67 | 83 | 97 | 108 | 115 |
注：絮凝劑濃度為0.1%，加藥量為6mg/m3，分別加藥時一次和二次加藥量分別為4mg/m3和2mg/m3，間隔實際為3s，煤泥水為某選煤廠尾煤濃縮機溢流，濃度為38g/L，試驗容器為500mL量筒，水量500mL。
由以上的比較結(jié)果可以看出：使用同量藥劑，分步加藥較一次加藥在相同時間內(nèi)的沉淀速度要快，表明分步加藥的絮凝效果比一次性加藥的效果好。
分析原因，可能是在分步加藥過程中，一次加藥后，絮凝劑的極性基在水溶液中與懸浮顆粒充分接觸，把位于懸浮顆粒表面雙電層的反號離子吸引住，同時懸浮顆粒表面與高分子絮凝劑相接近的地方負電荷過剩，進而對溶液中的反號離子產(chǎn)生吸引力，而吸引更多的反號離子聚集在懸浮顆粒表面，在二次加藥之前，隨著時間的延長，所吸附的反號離子數(shù)也就越多，也就更進一步降低了懸浮顆粒表面的負電性，但此時絮凝劑的藥量還沒有達到足夠的藥量，不能產(chǎn)生大的絮凝物。但此時已經(jīng)作好了絮凝的“準備”。在二次加藥后，達到了絮凝“起動”劑量，因而能迅速地將已被部分中和了負電性的懸浮顆粒吸附、架橋，形成較大的絮凝體，而快速沉淀。
4、結(jié)束語
通過以上的探討，我們了解了聚丙烯酰胺的一些與生產(chǎn)實用較密切的性質(zhì)。根據(jù)這些性質(zhì)，掌握了如何正確配制聚丙烯酰胺溶液的方法及加藥制度，以及絮凝效果的影響，對于在實際生產(chǎn)中正確使用聚丙烯酰胺具有一定的指導意義。
當然影響聚丙烯酰胺使用效果的因素遠不止如上所述，例如：煤泥水溫度、pH值、各種陽離子的含量以及懸浮物的粒度及濃度等，這些影響因素有些是次要的，有些不是人為因素所決定的，因此就不做更多的探討了。
